2015年9月，一次持续仅五分之一秒的震动改变了物理学的历史。那是首次直接探测到引力波——时空几何结构中的扰动，以光速在宇宙中传播。
天文学家说，这就像获得了一种新的感官——仿佛直到2015年，他们还只能“看到”宇宙事件，而现在也能“听到”它们了。从那时起，在路易斯安那州和华盛顿州的激光干涉引力波天文台（LIGO）的两个大型设施，以及意大利比萨附近的姊妹天文台Virgo，记录引力波的到来几乎成了家常便饭。
引力波的探测为探索自然规律和宇宙历史提供了新的途径，包括关于黑洞生命故事及其起源的大恒星的线索。瑞士日内瓦大学的理论物理学家基亚拉·卡普里尼说，对于许多物理学家来说，引力波科学的诞生是过去十年中罕见的亮点。其他有希望的探索领域令人失望：暗物质的搜寻一直空手而归；日内瓦附近的大型强子对撞机除了希格斯玻色子外一无所获；甚至一些有希望的新物理学的迹象似乎也在消退。“在这个相当平淡的景象中，引力波的到来是一股清新的空气，”卡普里尼说。
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那个罕见的亮点看起来注定会变得更加耀眼。
迄今为止发现的100多个引力波事件，仅仅是物理学家认为存在的众多现象中的一小部分。LIGO和Virgo打开的窗口相当狭窄，主要限于100–1,000赫兹范围内的频率。当成对的重恒星或黑洞经过数百万年的时间缓慢地螺旋式靠近彼此时，它们会产生频率缓慢增加的引力波，直到在物体碰撞前的最后时刻，波浪才涌入这个可探测的范围。但这只是许多种预计会产生引力波的现象之一。
LIGO和Virgo是激光干涉仪：它们的工作原理是探测沿垂直臂发射的激光的传播时间的微小差异，每个臂长几公里。当引力波扫过时，这些臂会以微小的量膨胀和收缩。研究人员目前正在研究几个下一代LIGO型天文台，包括地球上的和太空中的激光干涉空间天线；有些人甚至提议在月球上建造一个。其中一些可能对低至1赫兹的引力波敏感。
但物理学家们也在探索完全不同的技术来探测引力波。这些策略，从观测脉冲星到测量量子涨落，都希望捕捉到更广泛的引力波，频率范围从兆赫兹到纳赫兹。
通过拓宽他们的观测窗口，天文学家应该能够观测到黑洞彼此环绕数天、数周甚至数年，而不仅仅是捕捉到碰撞前的最后几秒。他们还将能够发现由完全不同的宇宙现象产生的波——包括巨型黑洞甚至宇宙本身的开端。他们说，所有这一切都将揭开宇宙中许多剩余的秘密。
脉冲星计时阵列：捕捉持续十年的波
去年，干涉仪的一个可行的替代方案加入了竞争。
自21世纪初以来，射电天文学家一直试图将整个星系用作引力波探测器。诀窍是监测数十颗被称为脉冲星的中子星。这些星体每秒绕轴自转数百次，同时发射射频束，每次旋转都会产生类似光脉冲的效果。
扫过星系的引力波会改变地球与每颗脉冲星之间的距离，从而导致从今年到明年探测到的脉冲星频率出现异常。对脉冲星集合或阵列（称为脉冲星计时阵列 (PTA)）的观测应该能够探测到由频率仅为纳赫兹的引力波引起的微小变化，例如，超大质量黑洞对可能产生这种变化。这种波的连续波峰通过给定有利位置需要数十年时间，这意味着需要数十年的观测才能发现它们。
2023年，PTA技术开始取得成果。北美、欧洲、澳大利亚和中国的四个独立合作组织公布了令人兴奋的迹象，表明存在随机的“随机背景”引力波的预期模式，这种引力波使地球晃动，可能是由超大质量黑洞双星的嘈杂声引起的，耶鲁大学在康涅狄格州纽黑文的天体物理学家基亚拉·明加雷利说。
各团队尚未使用“发现”一词，因为每个合作组织公布的证据尚不够确凿。但是，除了中国团队之外的三个小组现在正在汇集他们的数据并进行联合分析，希望能得到“D”字头的结果（discovery，发现）。美国国家射电天文台在弗吉尼亚州夏洛茨维尔的天体物理学家斯科特·兰索姆说，这需要艰苦的工作，因为每个小组以略有不同的方式处理其原始数据，因此可能至少还需要一年才能发表，他是北美合作组织的高级成员。
兰索姆说：“在我们目前的数据中，我们几乎可以肯定地看到了那里存在的单个超大质量黑洞双星的迹象。”他补充说，随着每年额外的观测，他们应该更接近于从嘈杂声中分辨出单个黑洞对。“情况只会越来越好。”
微波望远镜：发现来自宇宙大爆炸的波
在LIGO于2015年探测到引力波的前一年，一个使用名为BICEP2的南极望远镜的宇宙学家团队声称已经发现了引力波——不是直接探测到的，而是在被称为宇宙微波背景（CMB）的光的模式中探测到的，有时被称为宇宙大爆炸的余辉。
BICEP2的说法被证明为时过早，但宇宙学家现在正在加倍努力推进这个想法。一个比BICEP2强大得多的望远镜阵列，名为西蒙斯天文台，正在智利北部阿塔卡马沙漠的山顶上架设。一些研究人员对一个更强大的阵列CMB-S4（最初提议在智利和南极各设置12个望远镜）抱有希望——尽管在5月份，由于美国南极基地的失修，该项目的计划被搁置。
宇宙学家在CMB中寻找的是其偏振漩涡中的特定“B模式”图案——微波摆动的优先方向——这将是由引力波的通过所印刻的。理论是，这些波应该是由暴胀产生的，暴胀被认为是在宇宙大爆炸前后发生的宇宙指数膨胀的快速爆发。暴胀可以解释宇宙的许多最显著的特性，例如它的平坦性以及质量的分布方式。暴胀产生的引力波最初的频率会很高，但到现在频率会变得非常低，约为10−14 Hz。
虽然暴胀是公认的宇宙学理论的基石，但目前还没有证据证明它。B模式图案将是确凿的证据，而且，它还将揭示所涉及的能量尺度，这将是了解暴胀动力机制的第一步。
问题是，没有人知道那个能量尺度是否足够大，以至于留下了明显的痕迹。“暴胀预测了B模式，但我们不知道它是否大到可以被探测到，”马里兰州巴尔的摩市约翰·霍普金斯大学的理论天体物理学家马克·卡米昂科夫斯基说。但他说，如果主要的模型是正确的，那么西蒙斯天文台或CMB-S4最终应该会发现它。
原子干涉测量法：弥合差距
尽管许多这些项目将引力波科学推向更低的频率，但它们留下了一个关键的差距，就在1赫兹以下。
探测到这样的频率可能会揭示比LIGO看到的黑洞（LIGO探测到的是来自坍缩恒星的波，这些恒星的质量最多只有几十个太阳质量）质量更大的黑洞的合并。“这是一个未开发的区域，但它可能充满了黑洞，”卡普里尼说。
伦敦帝国理工学院的物理学家奥利弗·布赫米勒说，一种新兴技术可能会来救援。“原子干涉测量法弥合了我们目前无法用任何其他技术探索的差距，”他说。原子干涉仪是一个垂直的高真空管，原子可以在其中释放并使其在重力作用下下落。当原子下落时，物理学家用激光照射原子，在激发态和弛豫态之间切换它们——这与原子钟使用的原理相同。“我们正在努力将这种原子钟技术推向最终的极限，”加利福尼亚州斯坦福大学的物理学家杰森·霍根说。
霍根说，为了探测引力波，物理学家计划在同一根垂直管道内的不同高度释放两组或多组原子，并测量激光脉冲从一组原子传播到下一组原子所需的时间。引力波的通过将导致光在它们之间传播的时间略微减少或略微增加——这种变化小于百亿亿分之一。
斯坦福大学的开创性实验已经开发出10米落差的原子干涉仪，但探测引力波需要高度至少为1公里的设备，这种设备可以安装在矿井中，甚至在太空中。作为第一步，世界各地的几个小组正计划建造100米原子干涉仪作为试验平台。其中一个名为MAGIS-100的设施已经在伊利诺伊州芝加哥郊外的费米国家加速器实验室的现有竖井中建设中，计划于2027年完工。
桌面探测器：将频率推高
其他研究人员正在探索使用更小（更便宜）的探测器探测引力波的方法——包括一些可以放在桌面上的探测器。这些探测器旨在观测极高频引力波。已知现象可能不会产生这种波，但一些推测性理论确实预测了它们。
伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的悬浮传感器探测器（LSD）看起来像一个玩具LIGO：它在间隔仅1米的成对反射镜之间反射激光。LSD是一种新型仪器的原型，旨在利用共振来感知引力波：相同的原理，即使是轻微的推动，如果时机合适，也能让秋千上的孩子荡得越来越高。
在LSD每个臂的真空内部，激光将一个只有微米宽的粒子悬浮起来。与干涉仪一样，引力波的通过将交替拉长和压缩每个臂的长度。如果引力波的频率与设备的频率共振，那么激光将给粒子许多微小的踢动。西北大学物理学家安德鲁·格拉奇说，LSD可以以飞米级的精度跟踪粒子的运动，他正在领导这个项目。
LSD旨在对频率约为100 kHz的引力波敏感。如果该团队能够控制实验噪声——并且假设存在这种波，那么这个原型可能已经有机会探测到一些波。“取决于你有多乐观，即使使用1米长的仪器，我们也可能能够在该频段测量到真实信号，”格拉奇说。他补充说，未来的版本可以扩大到100米长的臂，这将提高它们的灵敏度。
英国南安普顿大学的理论物理学家伊薇特·富恩特斯有一个想法，可以制造出更小的共振探测器。她的目标是利用玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）这种奇异物质状态中的声波——这是一种保持在绝对零度以上百万分之几度的原子云。如果引力波以与声波共振的频率通过，则可以被探测到。由于寻找这种信号的行为会破坏BEC，因此每秒需要释放新的原子流。富恩特斯说，这个过程可能需要重复几个月才能成功探测到。
原则上，基于BEC的探测器可以将引力波的搜索范围扩展到1 MHz或更高的极高频率——同样，前提是它们存在。富恩特斯说，她的方案将需要将BEC技术稍微推向超出当前最先进水平的程度。“我认为这个想法非常大胆，”她说。物理学家们假设，高频引力波可以揭示宇宙大爆炸后最初一秒左右发生的奇异物理现象。“我们可以用它来研究宇宙在极高能量状态下的状态，”卡普里尼说。
量子晶体：只需一秒
最后一个更激进的引力波探测提议涉及将物体置于两个位置同时存在的状态。
伦敦大学学院的物理学家苏加托·玻色提出了一个装置，其中一个微米大小的金刚石晶体被置于两种量子态的叠加中。在他的方案中，晶体的两个“分身”将被分开多达1米，然后再重新组合在一起——这是一个极其精细的过程，有人将其比作将童谣人物矮胖子从摔倒后重新组装起来。当分开时，引力波的通过会使一个分身比另一个分身走得更远，从而在重新组合时使它们不同步——以可测量的方式。整个过程大约需要一秒钟才能完成，这将使该设备对大约1赫兹的引力波敏感。
这个想法非常雄心勃勃：迄今为止，这种量子技巧已被证明仅适用于分子大小的物体，而且没有人测试过量子怪异现象是否可以被推向如此极端。“对于晶体来说，重新组装矮胖子从未被证明过，”玻色说。
但是，如果这项技术能够得到完善，那么像这样的桌面实验就可以将引力波探测从少数几个大型实验室手中解放出来。这些技术结合在一起，可以大大拓宽可以看到的窗口。“前景非常乐观，”卡普里尼说。
本文经许可转载，并于2024年6月27日首次发表。